DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-1573-2026
تاريخ النشر: 2026-03-03
المؤلف: David D. Turner وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث تقييم الملفات الديناميكية الحرارية في طبقة الحدود الجوية (ABL) باستخدام أجهزة قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء الأرضية (IRS). شمل الدراسة نشر سبعة أنظمة IRS في بولدر، كولورادو، خلال سبتمبر-أكتوبر 2023، مما أتاح إجراء تحليل مقارن للإشعاعات المقاسة والملفات الديناميكية الحرارية المستخرجة. تشير النتائج إلى أن الإشعاعات المرصودة من الأجهزة اتفقت ضمن 1% من الإشعاع المحيط عبر القنوات المعتمة والشفافة، مع اختلافات في المعايرة الطيفية تقل عن 7.1 جزء في المليون (ppm). أظهرت الملفات المستخرجة لدرجات الحرارة والرطوبة تحيزات طفيفة، ضمن تقديرات عدم اليقين، كما أظهرت الكميات المستمدة مثل بخار الماء القابل للتكثف وارتفاع طبقة الحدود الحملية توافقًا قويًا أيضًا.
تؤكد النتائج على الدقة العالية وقابلية التكرار لأجهزة IRS، مما يشير إلى أن أي اختلافات كبيرة في الملفات الديناميكية الحرارية المستخرجة من شبكة هذه الأجهزة ستعكس اختلافات بيئية حقيقية بدلاً من عيوب المعايرة. كما تسلط الدراسة الضوء على قوة إطار استرجاع TROPoe وإجراءات المعايرة لكل من نطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MCT) وInSb لأنظمة IRS. يخلص المؤلفون إلى أن طرق المعايرة فعالة، مما يوفر الثقة في استخدام بيانات IRS للتطبيقات التشغيلية والتجريبية، بما في ذلك نمذجة الطقس على المقاييس المتوسطة وحملات البحث الجوي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاعتراف المتزايد بالمزايا التشغيلية لملفات الديناميكا الحرارية والديناميكية الأرضية للتطبيقات الأرصادية والمناخية. ومن الجدير بالذكر أن المجلس الوطني للبحوث في الولايات المتحدة أكد على ضرورة توسيع شبكات الملفات في عام 2009، بينما كانت مبادرة TOPROF التابعة للاتحاد الأوروبي في العقد 2010 تهدف إلى دمج الشبكات الوطنية في نظام مراقبة متماسك. تؤكد النشر الحديثة، مثل 17 موقعًا للملفات في ولاية نيويورك مزودة بأجهزة قياس دوبلر وأجهزة قياس الموجات الدقيقة، على أهمية التحقق من الافتراض بأن الأجهزة المتماثلة تعطي ملاحظات قابلة للتبادل. هذا التحقق أمر حاسم، حيث يمكن أن تنشأ الفروق في القياسات من اختلافات في الأجهزة بدلاً من اختلافات جوية.
تقدم الورقة جهاز قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء الأرضية (IRS) كمرشح واعد للنشر على نطاق واسع، مشيرة بشكل خاص إلى جهاز قياس الإشعاع الجوي (AERI) وجهاز قياس الصوت الجوي بواسطة تقنية الطيف بالأشعة تحت الحمراء (ASSIST). يوفر كلا النظامين قياسات طيفية دقيقة للأشعة تحت الحمراء الهابطة، والتي يمكن عكسها لاسترجاع الملفات الجوية لدرجات الحرارة وبخار الماء باستخدام خوارزمية استرجاع TROPoe. يأخذ هذا الإطار البايزي في الاعتبار عدم اليقين في عملية الاسترجاع، مما يسهل دمج هذه الملفات في نماذج التنبؤ بالطقس العددي. تناقش الورقة أيضًا نشر أجهزة ASSIST في بولدر، كولورادو، لتقييم دقة ملاحظات الإشعاع والملفات الديناميكية الحرارية المستخرجة، مما يمهد الطريق لمزيد من التحليل في الأقسام التالية.
النتائج
تم تقييم نتائج المعايرة لنظام الاستشعار الجوي للأشعة تحت الحمراء (ASSIST) من خلال تحليل شامل لظروف السماء الصافية والغيوم. تم تحديد فترات السماء الصافية بناءً على انخفاض الإشعاع الهابط، مما أسفر عن أكثر من 46,000 طيف لمقارنة المعايرة. تم تقييم المعايرة الإشعاعية باستخدام ASSIST-18 كمرجع، مما كشف أن معظم نقاط الإشعاع المرصودة تقع ضمن نطاق عدم اليقين المطلوب بنسبة 1% من الإشعاع المحيط. كما تم إجراء المعايرة الطيفية، مع ملاحظة أسوأ توافق لـ ASSIST-16، الذي كان لديه فرق في عدد الموجات الفعالة ليزر قدره 0.11 سم⁻¹. على الرغم من ذلك، اعتبرت أخطاء المعايرة الطيفية مقبولة لملفات الديناميكا الحرارية.
فيما يتعلق باسترجاع الملفات، كانت الفروق المتوسطة في ملفات درجة الحرارة ونسبة خلط بخار الماء من ASSIST-18 وغيرها من أجهزة ASSIST صغيرة باستمرار، مع قيم تقل عن 0.2 °C و0.15 غرام لكل كيلوجرام، على التوالي، مما يشير إلى توافق ممتاز. شمل التحليل 3049 ملفًا متطابقًا، وكانت ملفات الانحراف المعياري أصغر بكثير من عدم اليقين في الاسترجاع. بالنسبة لظروف الغيوم، كانت المسار المتوسط لبخار الماء المسترجع 23 غرام لكل متر مربع، مع تحيزات بين الأجهزة كانت ضئيلة. ظلت العلاقة بين ملفات درجة الحرارة وبخار الماء عالية (r > 0.985) في كل من الظروف الصافية والغيوم، مع ملاحظة تحسن طفيف في العلاقات خلال السيناريوهات الغائمة بسبب زيادة العمق البصري. بشكل عام، تظهر النتائج قوة أجهزة ASSIST في كل من الظروف الجوية الصافية والغيوم.
المناقشة
تناقش هذه القسم تصميم وقدرات التشغيل لجهاز ASSIST (جهاز قياس الطيف المستقل للأشعة تحت الحمراء والديناميكا الحرارية)، وهو جهاز قياس طيفي قائم على الأرض يقوم بشكل مستقل بقياس الإشعاع الهابط بالأشعة تحت الحمراء بدقة عالية عبر نطاق طيفي من 3.0 ميكرومتر إلى 19.0 ميكرومتر. يستخدم الجهاز كاشفين، MCT للأطوال الموجية الأطول وInSb للأطوال الموجية الأقصر، كلاهما محفوظ عند حوالي 75 كلفن لتحسين نسب الإشارة إلى الضوضاء. يتم تحقيق المعايرة من خلال الملاحظات الدورية لهدفين من الجسم الأسود، مما يضمن انبعاثية عالية وقياسات دقيقة لدرجات الحرارة. تسلط الدراسة الضوء على قدرة الجهاز على جمع حوالي 3900 عينة سماء يوميًا، مع التركيز على الحفاظ على معايرة إشعاعية ضمن 1% من الإشعاع المحيط.
أظهر تقييم سبعة وحدات ASSIST المتجاورة في بولدر، كولورادو، دقتها العالية في ملفات الديناميكا الحرارية، حيث اتفقت قياسات الإشعاع الهابط بالأشعة تحت الحمراء ضمن حدود المعايرة المحددة. كانت اختلافات المعايرة الطيفية ضئيلة (أقل من 7.1 ppm)، وأظهرت الملفات المستخرجة لدرجات الحرارة والرطوبة تحيزات متوسطة قريبة من الصفر، مما يشير إلى أداء قوي في كل من الظروف الصافية والغيوم. تشير الدراسة أيضًا إلى أن معلمات المعايرة لا تتأثر بشكل كبير بالظروف البيئية، مما يعني أداءً متسقًا عبر مستويات الرطوبة المتغيرة. بشكل عام، تؤكد النتائج موثوقية إجراءات معايرة ASSIST وإطار استرجاع TROPoe، مما يوفر الثقة في تحليل البيانات المجمعة خلال حملات البحث الجوي.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-1573-2026
Publication Date: 2026-03-03
Author(s): David D. Turner et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
This research paper section discusses the evaluation of thermodynamic profiles in the atmospheric boundary layer (ABL) using ground-based infrared spectrometers (IRS). The study involved deploying seven IRS systems in Boulder, Colorado, during September-October 2023, allowing for a comparative analysis of their measured radiances and retrieved thermodynamic profiles. The findings indicate that the observed radiances from the instruments agreed within 1% of the ambient radiance across both opaque and transparent channels, with spectral calibration differences being less than 7.1 parts per million (ppm). The retrieved temperature and humidity profiles exhibited minimal biases, well within the uncertainty estimates, and derived quantities such as precipitable water vapor and the height of the convective boundary layer also showed strong agreement.
The results underscore the high precision and repeatability of the IRS instruments, suggesting that any significant differences in thermodynamic profiles obtained from a network of these instruments would reflect genuine environmental variations rather than calibration artifacts. The study also highlights the robustness of the TROPoe retrieval framework and the calibration procedures for both the mid-infrared (MCT) and InSb bands of the IRS systems. The authors conclude that the calibration methods are effective, providing confidence in the use of IRS data for operational and experimental applications, including mesoscale weather modeling and atmospheric research campaigns.
Introduction
The introduction highlights the growing recognition of the operational advantages of ground-based dynamic and thermodynamic profilers for meteorological and climatological applications. Notably, the U.S. National Research Council emphasized the necessity for expanding profiling networks in 2009, while the European Union’s TOPROF initiative in the 2010s aimed to integrate national networks into a cohesive observing system. Recent deployments, such as New York State’s 17 profiling sites equipped with Doppler lidars and microwave radiometers, underscore the importance of validating the assumption that identical instruments yield interchangeable observations. This validation is crucial, as discrepancies in measurements could stem from instrument differences rather than atmospheric variations.
The paper introduces the ground-based infrared spectrometer (IRS) as a promising candidate for large-scale deployment, specifically mentioning the Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI) and the Atmospheric Sounder Spectrometer by Infrared Spectral Technology (ASSIST). Both systems provide accurate downwelling infrared spectral measurements, which can be inverted to retrieve atmospheric profiles of temperature and water vapor using the TROPoe retrieval algorithm. This Bayesian framework accounts for uncertainties in the retrieval process, facilitating the integration of these profiles into numerical weather prediction models. The paper also discusses the deployment of ASSIST instruments in Boulder, Colorado, to evaluate the accuracy of radiance observations and the retrieved thermodynamic profiles, setting the stage for further analysis in subsequent sections.
Results
The calibration results of the Atmospheric Sounding System for Infrared Spectroscopy (ASSIST) instruments were evaluated through a comprehensive analysis of clear sky and cloudy conditions. Clear sky periods were identified based on low downwelling radiance, resulting in over 46,000 spectra for calibration comparison. The radiometric calibration was assessed using ASSIST-18 as a reference, revealing that most observed radiance points fell within the desired uncertainty range of 1% of ambient radiance. Spectral calibration was also performed, with the worst agreement noted for ASSIST-16, which had a difference in effective laser wavenumber of 0.11 cm⁻¹. Despite this, the spectral calibration errors were deemed acceptable for thermodynamic profiling.
In terms of profile retrievals, the mean differences in temperature and water vapor mixing ratio profiles from ASSIST-18 and other ASSISTs were consistently small, with values below 0.2 °C and 0.15 g kg⁻¹, respectively, indicating excellent agreement. The analysis included 3049 matched profiles, and the standard deviation profiles were significantly smaller than the retrieval uncertainties. For cloudy conditions, the mean liquid water path retrieved was 23 g m⁻², with biases between instruments being negligible. The correlation between temperature and water vapor profiles remained high (r > 0.985) in both clear and cloudy conditions, with slightly improved correlations observed during cloudy scenarios due to increased optical depth. Overall, the results demonstrate the robustness of the ASSIST instruments in both clear and cloudy atmospheric conditions.
Discussion
The section discusses the design and operational capabilities of the ASSIST (Autonomous Spectrometer for Infrared Spectroscopy and Thermodynamics), a ground-based Fourier-transform spectrometer that autonomously measures downwelling infrared radiance with high resolution across a spectral range of 3.0 µm to 19.0 µm. The instrument utilizes two detectors, an MCT for longer wavelengths and an InSb for shorter wavelengths, both maintained at approximately 75 K to optimize signal-to-noise ratios. Calibration is achieved through periodic observations of two blackbody targets, ensuring high emissivity and precise temperature measurements. The study highlights the instrument’s ability to collect approximately 3900 sky samples daily, with a focus on maintaining a radiometric calibration within 1% of ambient radiation.
The evaluation of seven collocated ASSIST units in Boulder, Colorado, demonstrated their high accuracy in thermodynamic profiling, with downwelling infrared radiance measurements agreeing within the specified calibration limits. The spectral calibration differences were minimal (less than 7.1 ppm), and the retrieved temperature and humidity profiles exhibited mean biases near zero, indicating robust performance in both clear and cloudy conditions. The study also suggests that calibration parameters are not significantly affected by environmental conditions, implying consistent performance across varying humidity levels. Overall, the findings affirm the reliability of the ASSIST calibration procedures and the TROPoe retrieval framework, providing confidence in the analysis of data collected during atmospheric research campaigns.